半轴套管零件热挤压成形数值模拟与分析

半轴套管零件热挤压成形数值模拟与分析

机加工过程中的问题半轴套筒是车辆底部的重要部件。它用于重负荷、强影响和振动。因此要求零件内部组织致密,流线分布合理,抗疲劳强度高。采用普通模锻显然难以满足上述技术要求。首先,由于零件太长,普通锻件内孔无法锻出,需依靠机加工完成,费时费力,材料利用率低;其次,锻造过程中形成的金属流线,在内外机加工过程中被破坏,严重地影响零件的力学性能和使用寿命。所以采用高效、节能的方法生产优质的半轴套管已成为生产中亟需解决的问题。本文采用DEFORM-3D软件对半轴套管热挤压成形工艺进行数值模拟,分析变形过程中材料流动情况、温度场分布和凸模载荷变化情况,合理预测成形缺陷,为半轴套管的实际生产提供参考依据。1零件生产工艺分析图1为某车用半轴套管,材料为45号钢,从图中可看出,该半轴套管属于长轴类空心锻件,而且是一个带法兰的变径截面的阶梯管件,其法兰直径与小端直径之比较大,使该零件的锻压成形难度较大。根据热挤压工艺适用于挤压中碳钢深孔、薄壁零件,并具良好的金属流线及变形强化的特点,结合该零件的形状及材料,本文采用热挤压工艺制造该零件毛坯。根据文献,以及对各道工序变形量的初步计算,尤其结合工厂生产实际情况,最终确定热挤压工艺方案:下料—加热—制坯(镦粗、冲孔)—正挤压(含去冲孔连皮)—镦粗法兰,工艺过程如图2所示。1坯料加热方式根据体积不变原则,并考虑加热烧损量,选用Φ80mm×114.5mm圆钢坯料,为提高加热质量,同时便于与热模锻压力机组成生产线,坯料采用中频感应加热。在加热过程中严格控制加热温度,根据材料加热规范,45号钢的始镦温度为1200℃,终锻温度为800℃。2冲孔或冲孔制坯包括镦粗、冲孔,镦粗的作用是去除氧化皮,获得端面平整的鼓形毛坯,为冲孔做准备,而冲孔则是为正挤压空心杆部做准备,避免挤压内孔的凸模长度与直径之比过大的问题,同时也有利于减小壁厚差的产生。3空心杆的成形如图2c所示,将制坯后(见图2b)的毛坯放入正挤压凹模模膛内,在带有芯轴的凸模作用下,毛坯下端的金属沿芯轴与凹模挤压工作带的孔径所形成环形空间向下挤出,即可成形出外径为Φ54mm、内孔为Φ30的空心杆。因变形金属同芯轴与挤压凹模内壁间存在摩擦阻力,所以空心杆内、外表层的金属流动会滞后于处在内、外表层之间的金属,因此,空心杆的下端面,其内、外之间会出现弧形,有待机加工车削为平面。4粗成形的工件如图2d所示,将正挤压工件(见图2c)放入复合成形凹模模膛内,在凸模下行过程中,当工件头部的金属被镦粗成形为法兰的同时,会有少量多余的金属沿芯轴与凹模挤压工作带的孔径所形成的环形空间向下被正挤压。2dego-3d模拟采用基于热力耦合刚粘塑性有限元分析技术,将工件视为刚塑性体,将凸模和下模模具视为刚性体。利用三维造型软件Pro/ENGINEER获得模具结构(见图3)及初始坯料的三维几何模型,然后转换成通用图形格式STL导入到DEFORM-3D前处理的Geometry模块中。模拟中,坯料材料牌号为AISI-1045,加热温度为900℃～1200℃范围,材料模型采用刚粘塑性流动应力模型σ¯=σ¯(ε¯ε⋅−‚T)σ¯=σ¯(ε¯ε⋅-‚Τ),模具材料牌号AISI-H-13,坯料加热温度为1150℃,模具预热温度为300℃,外界坏境温度20℃,坯料与坏境的对流因子为0.02N/(s·mm·℃),与模具接触面传热系数为11。摩擦模型采用塑性剪切摩擦,摩擦系数为0.3。凸模挤压速度50mm/s。根据零件的对称性,取实体1/4进行计算,坯料划分网格为30000个四面体单元。3热挤压形成过程的模拟结果分析3.1冲孔连皮厚度采用热挤压制坯工序,不仅解决了采用直接冲孔内腔由于孔深较深而产生的壁厚难于控制、以及废品率较高的缺陷,同时也使模具的强度得到了保证。坯料底部的冲孔连皮厚度影响到后续工序的成形。普通挤压件的冲孔连皮厚度应尽量小,以提高材料的利用率,但冲孔连皮厚度也不能过小,过小会出现底部被顶穿的现象,而且载荷急剧增大;冲孔连皮厚度也不能过大,过大将使后续去冲孔连皮的冲孔力大,工件可能出现不希望的变形。实验证明,冲孔连皮厚度控制在7mm左右最为合适。图4为制坯工序结束时坯料的应变分布图和温度分布图,从图4a可看出,金属变形主要集中在凸模下部,随着凸模下行,变形区逐渐下移。从图4b可看出,坯料在与型腔和凸模接触的表面处温度下降较快,但变形区的温度一直保持在1180℃左右,其中最高温度达到1190℃。图5为凸模载荷-行程曲线图。从图中可以看出,在制坯的整个过程中凸模载荷较小,在制坯结束时由于形成了封闭型腔,载荷急剧上升,达到3485kN。在制坯过程中,当凸模载荷达到图5中的A点,即1817kN(达到设备吨位极限)时,就可结束制坯过程。此时仍可满足后续挤压工序的要求。3.2正挤凸模的变形温度和应变当制坯完成之后,坯料是带冲孔连皮的,所以正挤压工序的凸模是带芯轴的,凸模在正挤压之前,随着凸模下行,凸模芯轴先把冲孔连皮冲掉,再随着凸模的进一步下行完成正挤压过程。图6为正挤压工序结束时坯料的应变和温度分布情况,从图6a可看出,变形主要集中在凸模芯轴与凹模形成的挤压工作带处。由于内孔已部分成形,成形后的部分内孔对正挤凸模具有导向作用,坯料在凸模的作用下产生轴向变形,金属在规定的环形间隙中向下流动,坯料高度增加形成深孔,有利于减小壁厚差的产生,避免了挤压深孔冲头高经比太大而弯曲失稳现象。由图6b可看出,正挤压过程中,坯料在与模具接触处温度下降较快,但在挤压工作带的整个环形变形区温度保持在较高水平,有利于金属的塑性变形。图7为凸模载荷-行程曲线。从图中可进一步看出,变形区的温度始终都在终锻温度之上,从而使正挤压过程凸模载荷最大时也只有4800kN。3.3粗和b点之间的关系热挤压成形镦粗法兰工序是半轴套管热挤压工艺中最关键的一道,决定着整个工艺的成败。图8为镦粗法兰结束时坯料的应变和温度分布情况,图9为凸模载荷-行程曲线图。由图8a和图9中可以看出,镦粗法兰工序金属变形可以分为3个阶段:1)对应凸模载荷-行程曲线,即图9中的A点之前的曲线,随着凸模下行,在凸凹模之间头部的坯料发生镦粗变形,坯料流入法兰型腔之间,此时伴有极少量的金属发生正挤压向下流动,此阶段载荷平稳缓慢的上升;2)对应图9中AB段,随着镦粗的进一步进行,镦粗进入打靠阶段,法兰型腔逐渐被充满,大量金属发生正挤压变形流入杆部,此时,由于坯料接触面增多,法兰型腔充满形成局部封闭型腔载荷急剧上升,从3001kN上升到10916kN;3)对应图9中B点之后的曲线,法兰型腔已全部充满,多余的金属全部被正挤压进入杆部,此时载荷在8622kN～10831kN范围内上下波动。由图8b可看出,在镦粗法兰过程中,坯料在变形区温度始终保持在终锻温度之上。为保证坯料在一次加热后完成整个半轴套管的挤压,在制坯和正挤压工序中设备挤压速度应保持在一定水平之上,且在各个工序之间坯料转移停留的时间不能太长,防止坯料温度下降太快造成镦粗法兰凸模载荷过大。4影响热挤压形成效果的因素分析影响热挤压成形效果的因素很多,着重分析坯料加热温度、凸模挤压速度和模具预热温度这3个主要因素对正挤压成形效果的影响。4.1坯料加热温度对正挤压成形效果的影响热挤压成形工艺一般是把坯料加热到金属再结晶温度以上的某个温度,以提高坯料塑性,降低其变形抗力。其他成形条件保持不变,加热温度分别取950℃、1050℃和1150℃,研究不同坯料加热温度对正挤压成形效果的影响。图10为不同坯料温度下凸模载荷-行程图,由图中可看出,坯料加热温度越高,凸模载荷越小,当坯料加热温度为1150℃时,凸模载荷最小。在金属不产生过热和过烧的前提下,坯料温度越高,金属变形抗力越小,所需设备吨位越小。通过与模拟结果进行比较,坯料始锻温度选用1150℃最为合适。4.2u3000最低温度选用始锻温度1150℃,其他变量保持不变的条件下,研究不同凸模挤压速度对成形效果的影响。根据挤压机的速度特点,设定凸模挤压速度分别为10mm/s、50mm/s和100mm/s。图11为不同凸模挤压速度下坯料温度的分布情况,由图中可看出,坯料整体温度随着凸模挤压速度的增加而增高。当凸模挤压速度为10mm/s时,坯料最低温度只有347℃,坯料最高温度也只有1120℃,比坯料加热温度1150℃下降了30℃;当凸模挤压速度为100mm/s时,坯料最高温度与坯料加热温度相比没有降低反而上升了40℃,这是因为金属变形产生变形热,在后续的挤压过程中可能导致坯料的过热或过烧;当挤压速度为50mm/s时,坯料的最高温度上升到1170℃左右,能满足后续的挤压要求。不同凸模挤压速度下凸模载荷-行程如图12所示,由图中可看出,凸模载荷随着凸模挤压速度的增大而下降。当凸模挤压速度较小时,由于坯料温度的下降导致凸模载荷显著的增大;当凸模挤压速度较大时,由于坯料与模具的接触时间短,坯料散失的热量少,加之变形热效应的作用,凸模载荷较小。加热温度为1150℃的45号钢,温度散热较快,因此在挤压时,可以采用较高的凸模挤压速度挤压,以减少坯料与模具的接触时间,减少坯料热散失,同时降低模具的温度,提高模具寿命。通过对不同凸模挤压速度下坯料温度分布和凸模载荷的分析,根据挤压机的速度特点,综合考虑,应取凸模挤压速度50mm/s较为合适。4.3不同模具预热温度对成形质量的影响热挤压模具与其他锻造模具一样,在使用之前都需要预热,以减少模具与工件间的热传导,防止坯料温度下降过快,同时避免模具因温度变化过大而产生的应力集中,降低模具使用寿命。在其他变量保持不变的条件下,研究不同模具预热温度对成形效果的影响。根据H13钢模具预热温度区间,分别取100℃、200℃和300℃3种模具预热温度。不同模具预热温度下凸模载荷-行程如图13所示,从图中可看出,随着模具预热温度的增大,所需的挤压力不断减小,但减小量并不显著。当模具预热温度较高时,坯料和模具的温差较小,坯料温度下降较小,所需的挤压力较小。但当模具的温度过高时,模具的寿命急剧降低。根据实际生产经验,模具预热温度选用300℃较为合适。5粗法兰生产的验证在半轴套管的热挤压生产过程中,常常会在套管内腔形成折叠。折叠的产生不仅减小零件的承载面积,而且极易在折叠处产生应力集中,形成疲劳源而使零件断裂,导致重大事故发生。因此对半轴套管来说,折叠是其致命的缺陷。采用制坯-正挤压-镦粗法兰工艺成形半轴套管时,在镦粗法兰工序中,随着凸模的下行,大量金属流入法兰型腔。模拟中发现,如果在制坯和正挤压工序中预成形的半轴套管圆形薄壁头部高度较高时(如图14所示),在半轴套管内腔转角处极易产生折叠,这是由于半轴套管圆形薄壁头部高度较高,在镦粗法兰时大量金属流入法兰型腔导致薄壁头部失稳产生折叠;同时,由于法兰型腔是由两股金属对流(如图14中箭头所示)汇合填充的,从而导致折叠。为避免折叠的产生,合理分配金属对于套管法兰的成形很重要。针对折叠产生的原因,在制坯和正挤压工序中将预成形的半轴套管圆形薄壁头部高度减小,避免在镦粗法兰工序中大量金属流入型腔导致圆形薄壁头部弯曲失稳产生折叠,同时保证填充法兰型腔的金属只来自中间厚壁处(见图15A处),以避免和头部薄壁处的金属汇流。如果半轴套管零件圆形薄壁头部的高度较高,可在镦粗法兰工序中反挤成形。在制坯和正挤压工序中减小半轴套管圆形薄壁头部高度后,其镦粗法兰工序速度场分布如图15所示,从图中可看出,工艺改进后法兰型腔的金属几乎全部来自中间厚壁处,金属流动顺畅,在内腔拐角处没有折叠倾向。从图8b温度场分布可知,图15中A处的金属温度较高,但改进工艺后,图15中A处不仅有效的避免了折叠倾向,而且在一定程度上有利于法兰的成形,降低了凸模的载荷。对于半轴套管内腔容易形成折叠缺陷,除了采取在制坯和正挤压工序中减小半轴套管圆形薄壁头部高度外,还可以通过在模具设计时,在满足产品要求的前提下,在内腔拐角(见图15中R)过渡部位,尽可能采用较大的R,并力求过渡圆滑,以减少金属在流动时遇到的阻力,避免折叠;另外,降低模具表面粗糙度和提供良好的润滑,也可以减小金属在流动时遇到的阻力,有利于工件内腔的成形,同时可以减少因金属流动速度不一致而导致的折叠。6热挤压液压机模具设计根据模拟结果,采用上述工艺参数,在12500kN热挤压液压机生产线上进行实验研究,该生产线上有热挤压液压机3台,5000kN热挤压液压机用于制坯,10000kN热挤压液压机用于正挤压,12500kN热挤压液压机用于镦粗法兰。坯料选用45号钢,规格为Φ80mm×114.5mm,采用中频感应加热,加热温度1150℃。模具型腔采用加热的坯料进行预热,预热的温度为300℃。挤压时采用水溶石墨进行润滑,同时也能起到冷却模具的作用,可以减小模具表层温度升高和